封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统设计

摘要

管网承载着物料的输送，一旦泄漏极易造成严重的后果。封闭环境由于空间的限制，不便于以介入式安装方式大量安装仪表与布线，同时为了实现泄漏点的准确定位还要求所有监测点具有较高的同步性实现信号的同步采样。因此，研制一套可以应用于封闭空间的、以无线通信形式实现数据传输、且具有较高的信号采样同步性能的管网泄漏非介入式监测系统有着重要的意义和应用价值。
　　为了实现封闭环境下管网泄漏信号的多点同步采样，设计了一套基于无线传感网络的管网泄漏非介入式监测系统。设计并制作了磁铁吸附式非介入式传感节点机械装置，通过放置于平板梁两端的磁铁，实现装置的快捷装卸;通过螺纹调节声波传感器端面和平板梁的水平标准，实现声波传感器端面与管壁的紧密接触。设计了以XBee Pro S3B900HP和STM32F407VGT6为核心的无线传感节点和协调器节点。根据传感节点的机械尺寸设计、制作了相应的信号调理电路和数据采集/无线传输电路，设计制作了协调器电路。通过分析无线传感节点在工作中时钟偏差产生的原因，比较了在无线传感网络时间校正技术中常见的硬件时钟同步与软件时钟同步方法，利用XBee模块的信号强度指示值(RSSI)脉宽调制信号触发节点微处理中断响应，校正各个传感节点定时器，结合GPS时间的无线授时，实现多节点同步采样的软硬件相结合的无线传感网络时间校正，在降低节点功耗的同时提高了系统的授时精度;传感节点以DMA方式实现信号采样与数据的无线传输，结合半满溢出方式触发A/D转换，保证节点数据包完整性的同时最大程度的确保节点时间校准的准确度。
　　在实验室模拟的封闭环境下，以墙壁、WiFi模拟数据传输的障碍和干扰，验证了系统数据传输的稳定性;以多节点采集同一信号的方式验证了系统同步采样授时的准确性。搭建了非介入式气体管网泄漏检测实验平台，通过人工模拟泄漏实验，测试验证了泄漏监测系统漏点定位的准确性。实验结果表明:本课题所设计的封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统具有较高的抗干扰性与避障能力，时间同步准确，泄漏点定位精度较高，为封闭环境下管网的安全预警监测提供了一种有效的技术手段。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 管道泄漏检测方法综述

1．2．1 非介入式管道泄漏检测方法

1．2．2 管网泄漏检测方法

1．3 无线传感网络时间同步技术

1．3．2 无线传感网络时间同步技术的发展现状

1．4 课题的主要内容

第二章 封闭环境下管网泄漏非介入式监测及定位方法

2．1 管道泄漏非介入式声波监测及定位原理

2．1．1 管道泄漏非介入式声波监测原理

2．1．2 管道泄漏非介入式声波定位原理

2．2 封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统的技术难点分析

2．3 封闭环境下无线传感网络时间校正方法设计

2．4 封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统

2．4．1 管网泄漏非介入式监测系统总体结构

2．4．2 非介入式安装的泄漏声波检测装置设计

2．5 本章小结

第三章 管网泄漏非介入式监测系统硬件设计

3．1 无线传感网络技术简介

3．2 节点控制微处理器

3．3 协调器节点硬件电路设计

3．3．1 协调器节点结构及工作流程

3．3．2 时间信息接口设计

3．3．3 信息通信接口

3．3．4 协调器节点电源管理模块

3．4 传感节点硬件电路设计

3．4．1 传感节点结构及工作流程

3．4．2 声波信号传感与调理

3．4．3 无线通信接口

3．4．4 时间同步实现原理

3．4．5 数据采集与处理

3．4．6 传感节点电源管理设计

3．5 本章小结

第四章 管网泄漏非介入式监测系统软件设计

4．1 X-CTU网络节点参数配置工具

4．2 监测系统协调器节点程序设计

4．2．1 协调器节点XBee模块功能参数配置

4．2．2 协调节点STM32功能程序设计

4．3 监测系统传感节点程序设计

4．3．1 传感节点XBee模块功能参数配置

4．3．2 传感节点STM32功能程序设计

4．4 监控服务程序设计

4．4．1 管网结构示意图及传感节点分布界面

4．4．2 SQL数据库存储功能

4．4．3 传感节点实时曲线显示

4．5 本章小结

第五章 管网泄漏非介入式监测系统测试

5．1 监测系统通信稳定性测试

5．2 监测系统授时准确性重复测试

5．3 泄漏点定位准确性重复测试

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究成果与结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介